输油管线停输及停输再启动工况研究

杜丽红

【摘要】通过对输油管线停输及停输再启动工况下运行参数的分析，研究输油管线在停输及停输再启动工况下的温度、压力分布规律，进而可确定管线不同输量下的安全停输时间及不同停输时间下的最小允许输量。

【关键词】停输；停输再启动；安全停输时间

输油管道在停输过程中，油温下降，粘度升高，当油温降到一定值后，会给管道的再启动带来极大的困难，甚至造成凝管事故。因此，为了确保管道在停输一定时间后，能够顺利再启动，确定最小允许输量和任务输量下的最低出站油温对管线安全运行具有一定的指导意义。

1、停输工况下运行参数分析

在管道停输时，土壤的蓄热量及热阻均很大，埋地管道在停输后温降缓慢，可以将管内原油的冷却过程视为一系列准稳定状态，列出在时间内的热平衡方程，近似求解。假设在时间内，管内存油及钢管温降放热量等于管道向环境的散热，且总传热系数K'等于稳态时的K值，则距起点任意距离处，停输温降时间后管内油温的计算公式：

式中：

K──管线的总传热系数，W/（m2·℃）；

TR──管内油温，℃。

T0──管道中心埋深处自然地温，℃

D、D1、D2──管道平均直径、钢管内径、外径，m；

cgρg── 钢材的比热和密度，J/（kg.℃），kg/m3；

cyρy── 油的比热容和密度，J/（kg.℃），kg/m3；

2、再启动工况下运行参数分析研究

2.1油温计算

再启动过程中的油温回升可借鉴预热时管内油温的计算方法。假设预热过程中流量不变，近似认为流动状况为准稳定工况。起点温度恒定，根据土壤导热微分方程和液流能量方程来描述再启动过程，则距起点z处、启动时间τ时管道末端截面处，某一时刻管内液体温度的计算式：

式中：τ──启动时间，h；R──管道半径，m；α------土壤导温系数，m2/s；z------距起点距离，m；V------管内油品的流速，m/s；λt------土壤导热系数，w/m℃；KI──契尔皮切夫准数，；Nua──努歇尔特准数，；

2.2压力分布。再启动过程是一个热力和水力不稳定的过程，由于停输温降使得原油流变性变差，再启动压力比正常运行时升高。停输后的末段原油温度尚高（一般高于凝点10℃，接近反常点），没有屈服值，此时，输送压力只需克服这段原油的粘度，排量稳定随后上升，压力按泵特性曲线变化，待这段原油部分顶出管道后，压力、排量逐渐恢复正常，泵与管道系统的压力、排量达到平衡。启动过程中的压力同正常运行时的计算相同。

式中：P1──管线起点压力，MPa；P2──管线终点压力，MPa；Lj ──管线长度，m；υ──原油的运动粘度，m2/s；Q──管线的体积流量，m3/s；m──与流态有关的常数。

3、停输再启动数值模拟

对某油田内某联合站至原油库的输油管线进行模拟，该段管线：ф325×7，长12.9km，稳定运行工况：出站温度为65℃，输量为105m3/h。

3.1模拟所需参数的计算。（1）原油基本性质：反常点：41℃；凝点：29℃；密度：ρ20=836kg/m3。（2）原油流变参数。①牛顿流体区粘温关系。油温高于41℃时，原油表现为牛顿流体特性，其粘温关系为：η=30.878e-0.02862T式中：η——粘度，mPa.s；T——温度，℃。②非牛顿流体段流变参数。在35～41℃的温度范围内，原油表现为假塑性流体特性，其稠度系数和流变行为指数与温度的关系为：k=2.9159×106e-0.48015T（Pa.sn）；n=-4.5659+0.2468T-2.705×10-3T2在30～35℃的温度范围内，原油表现为屈服假塑性流体特性，其屈服值τ0、稠度系数K和流变行为指数n与温度的为：

（Pa.sn）

（Pa）

（3）输油管道的总传热系数K。埋地管道的总传热系数总传热系数受土壤的含水量、温度场、管线内壁结蜡等多种因素的影响，故难以得到准确的计算结果。在管道设计及运行管理中，常采用反算法计算已正常运行的热油管道的K值，在反算总传热系数时，应当选取管线稳定运行期间的运行参数。根据管道轴向温降公式可得到K值的反算公式：

经过计算，稳定运行工况下不同时间段反算出的总传热系数相差不大，平均总传热系数K=1.240W/m2℃，且通过实际运行工况验证，同实际运行工况相符。

（4）当量管径及结蜡厚度。热油管线运行一段时间后，管线内壁会出现结蜡现象，会使总传热系数下降，管线的散热损失减少。因此，计算时宜选用进行当量管径。该管线管线处于平原，高程差可忽略不计；速度水头很小，也忽略不计。根据压降计算公式，输油管道的当量内径可由实际运行的参数反算得到：

可推出管道当量内径的计算公式：

当量结蜡厚度δdL的计算公式为：

经过计算，当量内径为286mm，结蜡厚度为12.5。

3.2停输再启动模拟。（1）出站温度65℃，输量105m3/h下停输过程中的起终点温降模拟、对出站温度为65℃，输量为105m3/h的稳定运行情况下停输工况进行了模拟。夏季停输24小时后： 出站温度降为45.08℃，降低了19.92℃，进站温度降为39.27℃，降低了14.9℃，即停输过程中，出站段温降比进站温降速度快。这是由于出站段油温高，与外界环境的温差大，散热损失大，进站段油温低，与外界的温差小，散热损失小。冬季停输11小时后： 出站温度降为50.60℃，降低了14.4℃，进站温度降为39.27℃，降低了14.9℃。（2）出站温度65℃、进站温度39℃下的不同输量允许的安全停输时间、夏季的安全停输时间比冬季要长，随着输量的增加安全停输时间增大的幅度逐渐变小。当输量增大到90m3/h后，停输时间随输量的变化变得很缓慢。同样，根据停输时间，可以确定最小允许输量的大小。（3）再启动过程计算。由于停输结束时管线终端油温一般高于凝点10℃左右，启动过程中，输量在满足输油泵和管线承压能力下，可尽量提高输量。油温完全可以满足运行要求，可以不考虑油温的变化，只须考虑启动时泵提供的压能能否满足管线压降。计算条件为：控制输量不超过160m3/h，出站油温控制65℃。正常输量下夏季停输24小时、冬季停输11小后的再启动时沿线的压降均在0.23Mpa左右，目前的输油泵完全可满足要求。

4、结论

（1）热油管道的允許最小输量由管道要停输时间长短决定。管道停输时间长，则允许最小输量大，管道停输时间短，则允许最小输量就小。（2）热油管道在任务输量下的允许最低出站油温的控制也由管道要求的停输时间长短决定。管道停输时间长，则允许最低出站油温高，管道停输时间短，则允许最低出站油温低。（3）处于不同的季节，沿线的散热情况不同，允许最小输量也不同，夏季允许最小输量比冬季允许最小输量小。

参考文献

[1]杨筱蘅，张国忠.输油管道设计与管理[M].石油大学出版社，1996.

[2]沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学[M].高等教育出版社，2000.

[3]袁恩熙.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社，1986.